控制工程基礎(chǔ)第一章

2023/6/713:24北京科技大學信息工程學院自動化系1控制工程基礎(chǔ)北京科技大學信息工程學院自動化系2023/6/713:24北京科技大學信息工程學院自動化系2教材與主要參考書1、胡壽松.自動控制原理簡明教程(第一版），北京：科學出版社，20052、劉豹.現(xiàn)代控制理論（第三版），北京：機械工業(yè)出版社，20063、吳麒.自動控制原理-上、下冊（第二版），北京：清華大學出版社，20064、董景新.控制工程基礎(chǔ)，北京：清華大學出版社，20062023/6/713:24北京科技大學信息工程學院自動化系31、緒論1.1課程介紹1.2自動控制理論與技術(shù)的產(chǎn)生與發(fā)展1.3控制系統(tǒng)的基本概念和原理1.4控制系統(tǒng)的組成和基本環(huán)節(jié)1.5自動控制系統(tǒng)的分類1.6自動控制系統(tǒng)基本要求2023/6/713:24北京科技大學信息工程學院自動化系4本章學習要點了解自動控制的起源和發(fā)展；了解閉環(huán)控制系統(tǒng)的組成和基本環(huán)節(jié)；了解反饋控制的工作原理；掌握反饋控制系統(tǒng)的基本要求；掌握相應(yīng)的概念及技術(shù)術(shù)語；2023/6/713:24北京科技大學信息工程學院自動化系51.1課程介紹自動控制技術(shù)是人類在認識世界和發(fā)明創(chuàng)新的過程中發(fā)展起來的一門重要的科學技術(shù)。依靠它，可以完成許多人類自身無法完成的工作，對于提高精度、質(zhì)量、性能及效率起到關(guān)鍵性的作用。同時還可以使人類從笨重、重復性的勞動中解放出來，從事更富創(chuàng)造性的工作自動控制技術(shù)是當代發(fā)展迅速，應(yīng)用廣泛，最引人矚目的高新技術(shù)之一，是推動新的技術(shù)革命和新的產(chǎn)業(yè)革命的關(guān)鍵技術(shù)。自動控制理論則是研究自動控制共同規(guī)律的技術(shù)科學?？刂乒こ袒A(chǔ)是一門專業(yè)基礎(chǔ)課程，主要介紹系統(tǒng)的建立、分析與設(shè)計等基本理論及方法的課程；是本學科的技術(shù)基礎(chǔ)課。2023/6/713:24北京科技大學信息工程學院自動化系61.1課程介紹線性代數(shù)微積分自動控制理論古典控制理論現(xiàn)代控制理論積分變換復變函數(shù)過程控制電力電子技術(shù)計算機技術(shù)通訊技術(shù)自動控制原理2023/6/713:24北京科技大學信息工程學院自動化系71.2自動控制技術(shù)的產(chǎn)生與發(fā)展自動控制的基礎(chǔ)為閉環(huán)控制?？刂普摰牡旎薔.Wiener

給出的定義為：“Feedbackisamethodofcontrollingasystembyinsertingintoittheresultofitspastperformance”

閉環(huán)控制系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)框圖：2023/6/713:24北京科技大學信息工程學院自動化系81.3

自動控制的基本概念和原理什么是自動控制？自動控制是指：不需要人的直接參與，而控制某些物理量按照指定的規(guī)律變化。~220V12uc手動控制1（眼）觀測溫度2（與要求）比較3（作出）決定4（手）調(diào)節(jié)2023/6/713:24北京科技大學信息工程學院自動化系9自動控制1通過熱電耦測量溫度——代替眼觀測，并轉(zhuǎn)換成電壓信號Uf。2Uf與給定電壓Ug比較，得到偏差電壓。代替人腦1.3

自動控制的基本概念和原理3偏差電壓通過放大器進行電壓及能量的放大，控制電機旋轉(zhuǎn)。代替人手來調(diào)節(jié)電位器滑桿，從而達到控制爐溫的作用。2023/6/713:24北京科技大學信息工程學院自動化系1012擾動量給定量輸出量

1-控制器(自耦變壓器)2-被控對象(電阻爐)圖中：工作原理分析1.3自動控制的基本概念和原理1、開環(huán)系統(tǒng)信號流程圖該圖也稱為系統(tǒng)方框圖2023/6/713:24北京科技大學信息工程學院自動化系11適用范圍：輸入量已知、控制精度要求不高、擾動作用不大。

工作原理與特點（1）開環(huán)控制：只有輸入量對輸出量產(chǎn)生控制作用，輸出量不參與對系統(tǒng)的控制。（2）開環(huán)控制特點結(jié)構(gòu)簡單、維護容易、成本低、不存在穩(wěn)定性問題輸入控制輸出輸出不參與控制系統(tǒng)沒有抗干擾能力1.3自動控制的基本概念和原理2023/6/713:24北京科技大學信息工程學院自動化系122閉環(huán)控制：該系統(tǒng)中，給定爐溫通過一個電位器的電壓值Ug反映。實際爐溫通過熱電耦測量，并將溫度值轉(zhuǎn)換為一個電壓值Uf。通過Ug與Uf的反向串接，實現(xiàn)與給定電壓Ug的比較：Ug－Uf＝△

U?！?/p>

U的大小反映了實測爐溫與給定爐溫的差別，它的正負決定了執(zhí)行機構(gòu)—電機的轉(zhuǎn)向。進而改變電位器滑桿的位置，以達到調(diào)節(jié)溫度的目的。1.3自動控制的基本概念和原理2023/6/713:24北京科技大學信息工程學院自動化系131.3自動控制的基本概念和原理信號流程圖（系統(tǒng)方框圖）放大器執(zhí)行電機被控對象檢測元件信號流向前向通道：從給定輸入到系統(tǒng)輸出的信號通路。給定量—比較環(huán)節(jié)—放大器—執(zhí)行機構(gòu)（執(zhí)行電機）—被控對象（加熱爐）—輸出量反饋通道：從輸出到輸入的信號通路：輸出量—檢測元件—比較環(huán)節(jié)給定量比較環(huán)節(jié)輸出量2023/6/713:24北京科技大學信息工程學院自動化系141.3自動控制的基本概念和原理工作原理與特點①反饋控制：輸出量通過反饋通道反饋到輸入端,經(jīng)比較環(huán)節(jié)與給定信號進行比較，產(chǎn)生偏差信號,此偏差信號經(jīng)過相應(yīng)的環(huán)節(jié)（控制器或稱效正環(huán)節(jié)）產(chǎn)生控制作用,控制輸出量按照要求的規(guī)律變化；這種控制方式稱為反饋控制方式！反饋控制是通過偏差信號產(chǎn)生控制作用，并試圖去消除偏差來達到控制目的。反饋信號與給定信號極性相反為負反饋,反之為正反饋。信號從前向通道傳遞到輸出再經(jīng)過反饋通道到比較環(huán)節(jié)形成了一個閉合路經(jīng)，故也稱為閉環(huán)控制。2023/6/713:24北京科技大學信息工程學院自動化系15②反饋控制特點輸入控制輸出，輸出參與控制檢測偏差、糾正偏差具有抗干擾能力結(jié)構(gòu)復雜實際生產(chǎn)過程中的反饋控制均為負反饋閉環(huán)控制系統(tǒng)的自動控制或者自動調(diào)節(jié)作用是基于輸出信號的負反饋作用而產(chǎn)生的，所以經(jīng)典控制理論的主要研究對象是負反饋的閉環(huán)控制系統(tǒng)，研究的目的是得到它的一般規(guī)律，從而可以設(shè)計出符合設(shè)計要求的，滿足實際需要的，性能指標優(yōu)良的控制系統(tǒng)。1.3自動控制的基本概念和原理2023/6/713:24北京科技大學信息工程學院自動化系161.3自動控制的基本概念和原理自動控制—不需要人的直接參與，而控制某些物理量按照指定的規(guī)律變化。。系統(tǒng)—由內(nèi)部互相聯(lián)系的部件按照一定規(guī)律組成，能夠完成一定功能的有機整體。自動控制系統(tǒng)—在沒有人的直接干預(yù)下，為實現(xiàn)某一控制目標，由內(nèi)部互相聯(lián)系的部件按照一定規(guī)律組成，能夠完成自動控制功能的有機整體。一般由控制器，控制對象，測量元件，比較環(huán)節(jié)等組成。2023/6/713:24北京科技大學信息工程學院自動化系171.4控制系統(tǒng)的組成和基本環(huán)節(jié)1—控制器

2—執(zhí)行裝置

3—控制對象

4—檢測裝置

5—比較環(huán)節(jié)

反饋工作原理：發(fā)現(xiàn)偏差→消除偏差。思考題：如果反饋是正反饋的話，試分析該系統(tǒng)的控制過程。閉環(huán)控制系統(tǒng)的基本組成、結(jié)構(gòu)和環(huán)節(jié)1.閉環(huán)控制結(jié)構(gòu)圖

2023/6/713:24北京科技大學信息工程學院自動化系182.閉環(huán)控制系統(tǒng)的基本環(huán)節(jié)與參量（1）被控對象或調(diào)節(jié)對象：要控制的設(shè)備或過程。（2）系統(tǒng)輸出量或被控量：

系統(tǒng)所控制的物理量（3）效正環(huán)節(jié)（控制器）：根據(jù)偏差信號形成適當?shù)目刂谱饔茫ㄒ?guī)律）。（4）執(zhí)行機構(gòu)：接受控制器（放大元件）的指令，并直接作用于控制對象，使被控制量發(fā)生變化：。（5）檢測裝置（或傳感器）：檢測被控制量，并將其轉(zhuǎn)換為與給定量相同的物理量：（6）給定環(huán)節(jié)：給出與期望的被控量相對應(yīng)的輸入量。⑦比較環(huán)節(jié)：將所檢測的被控制量與給定量進行比較，確定兩者之間的偏差量。1.4控制系統(tǒng)的組成和基本環(huán)節(jié)2023/6/713:24北京科技大學信息工程學院自動化系19(1)被控對象(2)被控量或輸出量(3)控制量(4)設(shè)定量或輸入量(5)擾動量(6)反饋量3.閉環(huán)控制系統(tǒng)中的基本術(shù)語(7)偏差量(8)前向通道或正向通道(9)反饋通道或反向通道(10)期望輸出(11)實際輸出(12)檢測量1.4控制系統(tǒng)的組成和基本環(huán)節(jié)2023/6/713:24北京科技大學信息工程學院自動化系201.5自動控制系統(tǒng)的分類1.按照信號傳輸特性劃分線性系統(tǒng)：由線性元件組成的系統(tǒng)，主要特征是滿足疊加原理和齊次定理，即當系統(tǒng)在輸入信號u1(t)的作用下產(chǎn)生系統(tǒng)的輸出y1(t)，當系統(tǒng)在輸入信號u2(t)的作用下產(chǎn)生系統(tǒng)的輸出y2(t)。如果系統(tǒng)的輸入信號為au1(t)+bu2(t)時，系統(tǒng)的輸出滿足ay1(t)+by2(t)，系數(shù)a,b可以是常數(shù)，也可以是時變參數(shù)。非線性系統(tǒng)：由非線性元件組成的系統(tǒng)，不滿足疊加原理和齊次定理。2023/6/713:24北京科技大學信息工程學院自動化系212.按照信號傳遞方式劃分連續(xù)控制系統(tǒng)：系統(tǒng)各部分的信號都是模擬的連續(xù)函數(shù)。離散控制系統(tǒng)：系統(tǒng)的一處或幾處信號是以脈沖系列或數(shù)碼的形式傳遞。3.按照輸入量的變化規(guī)律劃分恒值系統(tǒng)：要求被控量保持恒定。故給定量是恒定不變的。隨動系統(tǒng)：給定量按照事先未知的時間函數(shù)變化，要求被控量以誤差盡可能小的跟隨給定變化。程序控制系統(tǒng)：給定量是按照一定的時間函數(shù)變化的，要求被控量準確地重現(xiàn)給定量的變化。1.5自動控制系統(tǒng)的分類2023/6/713:24北京科技大學信息工程學院自動化系224.按端口關(guān)系劃分SISO系統(tǒng)MIMO系統(tǒng)1.5自動控制系統(tǒng)的分類2023/6/713:24北京科技大學信息工程學院自動化系231.對自動控制系統(tǒng)基本要求穩(wěn)定性（穩(wěn)）、快速性（快）、準確性（準）“穩(wěn)”是指系統(tǒng)的穩(wěn)定性。穩(wěn)定性是保證控制系統(tǒng)正常工作的先決條件。線性控制系統(tǒng)的穩(wěn)定性由系統(tǒng)本身的結(jié)構(gòu)與參數(shù)所決定的，與外部條件和初始狀態(tài)無關(guān)?！翱臁笔钦f明系統(tǒng)動態(tài)（過渡過程）品質(zhì)。系統(tǒng)的過渡過程產(chǎn)生的原因：系統(tǒng)中儲能元件的能量不可能突變。“準”是說明系統(tǒng)的靜態(tài)品質(zhì)。表明了系統(tǒng)的精確性和準確性。1.6自動控制系統(tǒng)基本要求2023/6/713:24北京科技大學信息工程學院自動化系24有差系統(tǒng)（圖b）：若穩(wěn)態(tài)誤差為零，則系統(tǒng)稱為無差系統(tǒng)。無差系統(tǒng)（圖a）：若穩(wěn)態(tài)誤差不為零，則系統(tǒng)稱為有差系統(tǒng)。1.6自動控制系統(tǒng)基本要求2023/6/713:24北京科技大學信息工程學院自動化系25自動控制的基本概念開環(huán)控制與閉環(huán)控制負反饋的閉環(huán)控制系統(tǒng)的工作原理專用術(shù)語及控制系統(tǒng)的組成小結(jié)2023/6/713:24北京科技大學信息工程學院自動化系261.開環(huán)控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡單、穩(wěn)定性好，但不能自動補償擾動對輸出量的影響。當系統(tǒng)擾動量產(chǎn)生的偏差可以預(yù)先進行補償或影響不大時，采用開環(huán)控制是有利的。當擾動量無法預(yù)計或控制系統(tǒng)的精度達不到預(yù)期要求時，則應(yīng)采用閉環(huán)控制。2.閉環(huán)控制系統(tǒng)具有反饋環(huán)節(jié)，它能依靠反饋環(huán)節(jié)進行自動調(diào)節(jié)，以克服擾動對系統(tǒng)的影響。閉環(huán)控制極大地提高了系統(tǒng)的精度。但是閉環(huán)使系統(tǒng)的穩(wěn)定性變差，需要重視并加以解決。2023/6/713:24北京科技大學信息工程學院自動化系273.自動控制系統(tǒng)通常由給定環(huán)節(jié)、檢測環(huán)節(jié)、比較環(huán)節(jié)、效正環(huán)節(jié)、執(zhí)行機構(gòu)、被控對象等部件組成。系統(tǒng)的作用量和被控量有：給定量、反饋量、擾動量